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Publication
Computational Evaluation of Heat Exchangers in Hydrogen-Fueled Gas Turbines
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 3.64 MB | Adobe PDF |
Advisor(s)
Abstract(s)
This Dissertation presents the computational evaluation of heat exchangers used in hydrogenfueled gas turbines, addressing the growing need for efficient and sustainable propulsion systems. A computational tool was developed to model and predict key performance metrics of heat exchangers, including heat transfer rates, pressure drops, NTU, and effectiveness, across a wide range of operating conditions. The study applies both single-node and multinode approaches. The validation and parametric studies, however, are performed exclusively using the single-node method. These studies thoroughly analyze the impact of critical parameters, including combustor stagnation temperature, mass flow rate, throat area, and cooling channel configurations, on the overall performance of heat exchangers. The validation showed highly accurate predictions at aircraft Mach numbers 1.5 and 2, with minimal deviations. However, as aircraft Mach numbers increased to 3 and beyond, the accuracy decreased due to the inherent limitations of the single-node method, which oversimplifies the flow and temperature gradients within the combustor and cooling channels. Parametric studies revealed that increasing mass flow rates and optimizing throat areas resulted in significant improvements in both heat transfer rates and cooling efficiency. Notably, counterflow configurations consistently outperformed parallel flow designs, yielding up to 12% greater effectiveness, particularly at elevated stagnation temperatures. These findings underscore the importance of carefully optimizing heat exchanger design to enhance the efficiency of hydrogen-fueled gas turbines, especially in high-performance aerospace applications. Future work will focus on validating the multi-node approach to enhance the model’s accuracy in predicting spatial variations in temperature, pressure, and flow characteristics. Additionally, incorporating wall interaction effects and thermal resistance will further refine heat transfer predictions, optimizing the design of heat exchangers for hydrogen-fueled propulsion systems.
Esta Dissertação apresenta a avaliação computacional de permutadores de calor utilizados em turbinas a gás alimentadas a hidrogénio, abordando a crescente necessidade de sistemas de propulsão eficientes e sustentáveis. Foi desenvolvida uma ferramenta computacional para modelar e prever métricas chave de desempenho dos permutadores de calor, incluindo taxas de transferência de calor, quedas de pressão, NTU e eficácia, numa ampla gama de condições operacionais. O estudo aplica abordagens de nó único e de múltiplos nós. No entanto, a validação e os estudos paramétricos são realizados exclusivamente utilizando o método de nó único. Estes estudos analisam de forma exaustiva o impacto de parâmetros críticos, como a temperatura de estagnação do combustor, o caudal mássico, a área da garganta e as configurações dos canais de arrefecimento, no desempenho geral dos permutadores de calor. A validação mostrou previsões bastante precisas para números de Mach de voo de 1,5 e 2, com desvios mínimos. No entanto, à medida que os números de Mach aumentam para 3 e além, a precisão diminui devido às limitações inerentes do método de nó único, que simplifica em excesso os gradientes de fluxo e temperatura dentro do combustor e dos canais de arrefecimento. Os estudos paramétricos revelaram que o aumento dos caudais mássicos e a otimização das áreas do gargalo resultaram em melhorias significativas tanto nas taxas de transferência de calor quanto na eficiência de arrefecimento. Notavelmente, as configurações de contrafluxo superaram consistentemente os designs de fluxo paralelo, alcançando até 12% mais eficácia, especialmente em temperaturas de estagnação elevadas. Estes resultados sublinham a importância de otimizar cuidadosamente o design dos permutadores de calor para melhorar a eficiência das turbinas a gás alimentadas a hidrogénio, particularmente em aplicações aeroespaciais de alto desempenho. Trabalhos futuros concentrar-se-ão na validação da abordagem de múltiplos nós para melhorar a precisão do modelo na previsão das variações espaciais de temperatura, pressão e características de fluxo. Além disso, a incorporação dos efeitos de interação com a parede e da resistência térmica refinará ainda mais as previsões de transferência de calor, otimizando o design dos permutadores de calor para sistemas de propulsão a hidrogénio.
Esta Dissertação apresenta a avaliação computacional de permutadores de calor utilizados em turbinas a gás alimentadas a hidrogénio, abordando a crescente necessidade de sistemas de propulsão eficientes e sustentáveis. Foi desenvolvida uma ferramenta computacional para modelar e prever métricas chave de desempenho dos permutadores de calor, incluindo taxas de transferência de calor, quedas de pressão, NTU e eficácia, numa ampla gama de condições operacionais. O estudo aplica abordagens de nó único e de múltiplos nós. No entanto, a validação e os estudos paramétricos são realizados exclusivamente utilizando o método de nó único. Estes estudos analisam de forma exaustiva o impacto de parâmetros críticos, como a temperatura de estagnação do combustor, o caudal mássico, a área da garganta e as configurações dos canais de arrefecimento, no desempenho geral dos permutadores de calor. A validação mostrou previsões bastante precisas para números de Mach de voo de 1,5 e 2, com desvios mínimos. No entanto, à medida que os números de Mach aumentam para 3 e além, a precisão diminui devido às limitações inerentes do método de nó único, que simplifica em excesso os gradientes de fluxo e temperatura dentro do combustor e dos canais de arrefecimento. Os estudos paramétricos revelaram que o aumento dos caudais mássicos e a otimização das áreas do gargalo resultaram em melhorias significativas tanto nas taxas de transferência de calor quanto na eficiência de arrefecimento. Notavelmente, as configurações de contrafluxo superaram consistentemente os designs de fluxo paralelo, alcançando até 12% mais eficácia, especialmente em temperaturas de estagnação elevadas. Estes resultados sublinham a importância de otimizar cuidadosamente o design dos permutadores de calor para melhorar a eficiência das turbinas a gás alimentadas a hidrogénio, particularmente em aplicações aeroespaciais de alto desempenho. Trabalhos futuros concentrar-se-ão na validação da abordagem de múltiplos nós para melhorar a precisão do modelo na previsão das variações espaciais de temperatura, pressão e características de fluxo. Além disso, a incorporação dos efeitos de interação com a parede e da resistência térmica refinará ainda mais as previsões de transferência de calor, otimizando o design dos permutadores de calor para sistemas de propulsão a hidrogénio.
Description
Keywords
Análise Ntu-Eficácia Coeficiente de Transferência de Calor Convectivo Permutadores de Calor Taxas de Transferência de Calor Turbina a Gás Alimentada a Hidrogénio Criogénico